水平螺旋型地埋管换热器换热性能的研究 杨卫波.docVIP

中国工程热物理学会 学学术会议论文 编号：143716 水平螺旋型埋管换热性能研究 杨卫波1，孔磊1, 陈永平1,2,( （1，225127） （2东南大学，南京 210096） (Tel: Email: ypchen@seu.edu.cn) 摘 要 本文建立了水平螺旋埋管的有限差分数学模型，探讨了土壤类型对换热性能的影响。表明：埋管换热量随时间增加不断减小，逐渐趋于平稳。容积比热和导热系数高的土壤有利于提高埋管的换热性能，增加管内流体换热量，提高换热效率。粘土、沙土和岩土三种土壤中岩土最有利于埋管换热。 关键词 水平螺旋型埋管 土壤类型 密度 影响因素 0 前言 地源热泵是一种利用土壤巨大蓄热、蓄冷能力进行供热制冷的新型能源技术[1-8]，因此在建筑空调系统中得到了广泛的应用。近年来，国外出现了一种称之为“slinky”的水平螺旋型埋管换热器[9-11]传统水平直埋管竖直U型埋管换热器相比，它大大减小了用地面积，提高了换热效率节省了钻孔费用，降低了施工难度。由于水平螺旋型埋管离地表较近,受地表温度全年周期性变化的影响很大，且管与管之间的相互影响很难描述[12-13]，因此国内水平螺旋型地埋管换热器成熟的传热模型和设计方法。Morrison, Andrew[14]建立了水平螺旋埋管的有限差分数学模型并进行了实验验证，同时分析了冬季工况下系统负荷变化和埋管密度对地埋管换热器换热性能的影响。Yupeng Wu[15]等建立了土壤耦合换热器的瞬态三维传热模型，分析了不同埋管布置形式对换热器性能的影响。Hikari Fujii[16]等基于有限元数值模拟理论建立了包含螺旋型埋管换热器和周围土壤的三维数学模型，并通过热响应测试实验验证了模型的可靠性。上述研究均未考虑土壤类型、回填材料和系统负荷对水平螺旋管换热性能的影响本文建立了水平螺旋型埋管的有限差分模型，从土壤类型埋管密度研究分析了平螺旋型埋管夏季运行工况下的换热性能。 1 物理模型 作以下假设:同一深度土壤的初始温度均匀一致土壤、埋管为均质各向同性固体，材料物性参数为常数；忽略地下水渗流和热湿迁移的影响；将沟中螺旋型埋管当量成一定数量的管径相同的直管；忽略螺旋型埋管管壁、回填材料和土壤间的相互接触热阻 根据以上假设对螺旋型埋管在土壤中换热问题可以简化为对多根水平直埋管换热特性的研究,当量直管的数量计算公式为： (1) 式中，Nequiv为当量直管的数量；Lpipe为管的总长度，m；Ltrench为埋管沟的长度，m。 2 数学模型 2.1 土壤二维非稳态导热由于沿埋管长度延伸方向土壤温差很小，土壤轴向导热。 (2) 式中，cpS为土壤比热容,J/(kg?K)。 T 为温度, K; τ为时间,s; λS为土壤导热系数, W/(m?K) ; qs为土壤内热源强度, W/ m3 。 2.2 埋管长度方向上的一维传热模型 根据假设（）,钻孔内回填物与螺旋型埋管之间接触紧密,不存在接触热阻, 螺旋型埋管外壁温度等于钻孔内回填物与管壁接触的回填物温度在忽略各接触面的接触热阻时,流体在螺旋型管内的换热过程包括可以看成两个部分，即管内的对流换热过程和埋管管壁的导热过程。 () (4) (5) (6) (7) 式中，Rsourse、Rf、Rp分别为管内流体传热总热阻、对流换热热阻、管壁导热热阻其计算表达式分别对应于等式右边的最后2 项；dindout分别为螺旋型埋管的内、外直径，m；kp 管材导热系数,W(m?k)；h为管内液体对流换热系数，W/（m2）；kfliud为流体导热系数, W/(m?K) ；μ为动力粘度，kg/（m?s）；qm为质量流量，kg/s。 流体在管内流动时，一部分热量会透过管壁传递到土壤中，在埋管长度延伸方向上,如图1-a所示任意取当量直管中微元管段ΔL为研究对象,则根据能量平衡可得： () (9) 式中，m为微元管段内流体质量，kg；mt